Stoppt eine Welle in ihren Bahnen

Topologische Ideen haben kürzlich die zentrale Bühne der modernen Elektromagnetik eingenommen. Typische topologische photonische Systeme basieren auf nichtreziproken Materialien, einer Materialklasse, die asymmetrische Licht-Materie-Wechselwirkungen ermöglicht. Insbesondere können nicht-reziproke Plattformen unidirektionale Kanäle unterstützen, die eine Ausbreitung in einer bestimmten Raumrichtung ermöglichen – sagen wir von links nach rechts, aber nicht umgekehrt. Solche unidirektionalen Leiter sind in optischen Systemen von entscheidender Bedeutung, da ihre modularen Designs Wechselwirkungen in eine Richtung beinhalten, die die optische Isolierung der verschiedenen Module erfordern.

Obwohl die topologischen Eigenschaften eines Materials in abstrakten mathematischen Konzepten verwurzelt sind, können sie auf einfache physikalische Weise destilliert werden. Stellen Sie sich das Problem vor, eine Reihe unterschiedlicher nicht reziproker Materialien miteinander zu verbinden – sagen wir zum Beispiel fünf an einem Verbindungspunkt, wie Stücke eines Kuchens. Alle Materialien arbeiten in einer Frequenzbandlücke, in der sie die Ausbreitung in ihren Bulk-Bereichen nicht unterstützen. Jede der Schnittstellen kann jedoch eine bestimmte Anzahl von unidirektionalen Kantenzuständen unterstützen, die sich entweder zum Verbindungspunkt hin oder von ihm weg ausbreiten können.

Die Feststellung, dass ein System topologisch ist, ist eine raffinierte Art zu sagen, dass es in der beschriebenen Situation der tortenartigen Schnittstellenmaterialien unmöglich ist, eine Konstruktion zu entwickeln, bei der sich die Anzahl der einfallenden Strahlungskanäle von der Anzahl der ausgehenden Kanäle unterscheidet. Mit anderen Worten, in topologischen Systemen gibt es zwangsweise ein Gleichgewicht zwischen der Anzahl ankommender Kanäle und der Anzahl abgehender Kanäle, analog zur Stromerhaltung in Kirchhoffs Schaltungsgesetzen. Wenn die Anzahl der eingehenden und ausgehenden Kanäle unterschiedlich sein könnte, wäre es tatsächlich möglich, eine Erregung zu entwickeln, die kontinuierlich Energie von einer Quelle zum Verbindungspunkt überträgt. In einer solchen Situation kann ein thermodynamisches Gleichgewicht nur erreicht werden, wenn die an der Verbindungsstelle ankommende Energie als Wärme dissipiert wird.

Nun, wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher gezeigt, dass ein solches erfundenes Szenario tatsächlich in realistischen physikalischen Systemen beobachtet werden kann. Sie untersuchen die Tatsache, dass nichtreziproke Systeme mit einer kontinuierlichen Translationssymmetrie eine schlecht definierte Topologie haben. Sie demonstrieren, dass entgegen der allgemeinen Meinung eine Verbindung von nicht-reziproken Materialien nicht notwendigerweise an eine Ausgleichsbeschränkung für die Anzahl der Eingangs-/Ausgangskanäle gebunden ist.

Das Team verifizierte experimentell, dass es durch die Paarung von zwei Wellenleitern, einem mit einer schlecht definierten Topologie und einem anderen mit einer gut definierten Topologie, möglich ist, einen Kantenmodus an der Verbindungsstelle zwischen den Wellenleitern sofort zum Stillstand zu bringen und eine Topologie zu erzeugen Singularität. Die Welle wird an der Singularität gestoppt, die man sich als Energiesenke vorstellen kann, in der die gesamte einfallende Energie an einem einzigen Punkt im Raum konzentriert und schließlich dissipiert wird. Diese aufregenden Entwicklungen legen einen neuen Weg nahe, um topologische Singularitäten zu erreichen, die extreme Wellenphänomene aufweisen. Dies kann zur Energiegewinnung und zur Verstärkung nichtlinearer Effekte nützlich sein.